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本書(shū)對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本原理進(jìn)行了深入淺出的闡述，書(shū)中不僅配有豐富的圖例和例題，而且采用C語(yǔ)言對(duì)課程主要算法進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn)，并以實(shí)現(xiàn)OpenGL狀態(tài)機(jī)為主線(xiàn)將課程主要知識(shí)點(diǎn)串連起來(lái)。這種理論和實(shí)踐相結(jié)合的方式極大地方便了讀者對(duì)抽象的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論的系統(tǒng)理解和掌握。本書(shū)共10章，內(nèi)容包括緒論、計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)、OpenGL編程環(huán)境介紹、基本圖形生成算法、二維變換和二維觀察、三維變換和三維觀察、三維對(duì)象的表示、消隱計(jì)算、顏色模型以及真實(shí)感圖形繪制。
本書(shū)可作為高等院校計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論的課程教材，也可作為從事計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)及其他有關(guān)工程技術(shù)人員的參考書(shū)。

本教材最大的特色為理論聯(lián)系實(shí)踐。教材除了對(duì)圖形學(xué)原理進(jìn)行了深入淺出的推導(dǎo)外，還對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)常見(jiàn)的算法采用C語(yǔ)言 OpenGL進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn)，對(duì)主要知識(shí)點(diǎn)均配有豐富的例題。這種理論聯(lián)系實(shí)踐的方式可以最大限度地降低讀者的學(xué)習(xí)難度。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。2018年，編者在北京師范大學(xué)出版社出版了《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理與實(shí)現(xiàn)》，該書(shū)對(duì)圖形學(xué)基本算法進(jìn)行了C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。為適應(yīng)我國(guó)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)的最新要求，編者對(duì)上述教材進(jìn)行了修訂。與上一本教材的最大區(qū)別在于，本書(shū)以實(shí)現(xiàn)OpenGL狀態(tài)機(jī)原型為主線(xiàn)，采用C語(yǔ)言對(duì)圖形學(xué)基本算法進(jìn)行了重新編程實(shí)現(xiàn)，以便更清晰地展示圖形學(xué)知識(shí)點(diǎn)間的相互關(guān)聯(lián)。本書(shū)既可以作為高等院校本科生教材，也可以作為相關(guān)行業(yè)工程技術(shù)人員的參考書(shū)。
本書(shū)內(nèi)容在安排上循序漸進(jìn)，對(duì)理論的講解通俗易懂，總體來(lái)講有如下兩個(gè)特點(diǎn)。
（1） 深入淺出的理論介紹。為便于讀者快速理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本理論，本書(shū)在內(nèi)容安排上循序漸進(jìn)，用深入淺出的算法推導(dǎo)、豐富的例題和圖例對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本理論進(jìn)行了全面的介紹。
（2） 理論與工程實(shí)踐相結(jié)合。本書(shū)對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的主要算法進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn)，并模擬實(shí)現(xiàn)了OpenGL狀態(tài)機(jī)的功能。這種理論與實(shí)踐相結(jié)合的漸進(jìn)式組織方式便于學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容形成系統(tǒng)理解。書(shū)中的主要算法均給出了完整的源程序代碼及其運(yùn)行界面。為兼顧不同讀者對(duì)編程語(yǔ)言的掌握程度，本書(shū)采用C語(yǔ)言作為程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，并且基于Win32控制臺(tái)應(yīng)用程序的形式展示程序運(yùn)行結(jié)果。
具體而言，本書(shū)10章內(nèi)容之間的關(guān)系如圖所示。由于編者水平有限，本書(shū)難免存在不足之處，懇請(qǐng)專(zhuān)家和讀者批評(píng)指正。
編者2024年1月

第1章緒論1
1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本概念1
1.1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義1
1.1.2圖形和圖像1
1.1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理與模式識(shí)別2
1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展歷史2
1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用4
1.3.1用戶(hù)接口4
1.3.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)4
1.3.3數(shù)字娛樂(lè)5
1.3.4計(jì)算機(jī)輔助繪圖5
1.3.5計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)6
1.3.6科學(xué)計(jì)算可視化6
1.3.7計(jì)算機(jī)藝術(shù)7
習(xí)題8
第2章計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)9
2.1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)概述9
2.1.1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的功能9
2.1.2計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)10
2.2計(jì)算機(jī)圖形硬件設(shè)備10
2.2.1圖形輸入設(shè)備10
2.2.2圖形顯示設(shè)備12
2.2.3圖形繪制設(shè)備17
2.3計(jì)算機(jī)圖形軟件18
2.3.1計(jì)算機(jī)圖形軟件分類(lèi)18
2.3.2用戶(hù)接口設(shè)計(jì)19
2.3.3基本交互式繪圖技術(shù)21
習(xí)題22計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理與實(shí)現(xiàn)目錄第3章OpenGL編程環(huán)境介紹23
3.1Visual Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介23
3.2使用Visual Studio 2022創(chuàng)建新項(xiàng)目23
3.3OpenGL簡(jiǎn)介26
3.3.1OpenGL概述26
3.3.2OpenGL的主要功能27
3.3.3OpenGL狀態(tài)機(jī)簡(jiǎn)介28
3.3.4OpenGL狀態(tài)機(jī)原型簡(jiǎn)介28
3.3.5Windows編程簡(jiǎn)介33
習(xí)題36
第4章基本圖形生成算法37
4.1掃描轉(zhuǎn)換的定義37
4.2直線(xiàn)的掃描轉(zhuǎn)換38
4.2.1DDA畫(huà)線(xiàn)法38
4.2.2中點(diǎn)畫(huà)線(xiàn)法41
4.2.3Bresenham畫(huà)線(xiàn)法45
4.3圓的掃描轉(zhuǎn)換48
4.3.1根據(jù)圓的方程畫(huà)圓48
4.3.2中點(diǎn)畫(huà)圓法49
4.3.3Bresenham畫(huà)圓法53
4.4區(qū)域填充56
4.4.1掃描線(xiàn)多邊形填充算法56
4.4.2邊緣填充算法63
4.4.3種子填充算法65
4.4.4其他填充算法68
4.4.5區(qū)域填充的屬性處理69
4.5屬性處理69
4.5.1直線(xiàn)的線(xiàn)型處理69
4.5.2直線(xiàn)的線(xiàn)寬處理70
4.5.3曲線(xiàn)的線(xiàn)寬處理74
4.6字符77
4.6.1基本概念77
4.6.2點(diǎn)陣字符77
4.6.3矢量字符77
4.7反走樣78
4.7.1提高分辨率79
4.7.2簡(jiǎn)單區(qū)域取樣80
4.7.3加權(quán)區(qū)域取樣81
習(xí)題82
第5章二維變換和二維觀察83
5.1圖形變換基本知識(shí)83
5.1.1矢量和矩陣83
5.1.2齊次坐標(biāo)85
5.2基本二維變換86
5.2.1平移變換86
5.2.2旋轉(zhuǎn)變換86
5.2.3縮放變換87
5.2.4基本二維變換的矩陣表示88
5.2.5其他變換95
5.3二維復(fù)合變換100
5.3.1連續(xù)平移100
5.3.2連續(xù)旋轉(zhuǎn)100
5.3.3連續(xù)縮放101
5.3.4通用基準(zhǔn)點(diǎn)的變換101
5.3.5通用方向的變換104
5.3.6二維變換總結(jié)106
5.4二維觀察107
5.4.1二維觀察流程107
5.4.2用戶(hù)坐標(biāo)系到觀察坐標(biāo)系的變換108
5.4.3窗口到視區(qū)的變換109
5.4.4二維裁剪概述110
習(xí)題127
第6章三維變換和三維觀察129
6.1三維變換概述129
6.2三維幾何變換130
6.2.1三維平移變換130
6.2.2三維變比變換137
6.2.3三維旋轉(zhuǎn)變換139
6.2.4三維反射變換143
6.2.5三維錯(cuò)切變換145
6.2.6三維復(fù)合變換147
6.3三維投影變換157
6.3.1三維投影變換的分類(lèi)157
6.3.2三視圖159
6.3.3正軸測(cè)161
6.3.4斜平行投影164
6.3.5透視投影166
6.4三維觀察173
6.4.1觀察坐標(biāo)系173
6.4.2觀察空間174
6.4.3三維觀察流程175
習(xí)題176
第7章三維對(duì)象的表示177
7.1三維對(duì)象表示方法概述177
7.1.1三維圖形的基本問(wèn)題177
7.1.2數(shù)據(jù)模型177
7.1.3過(guò)程模型178
7.2多邊形表面179
7.2.1多邊形表面概述179
7.2.2多邊形表面表示法179
7.3二次曲面180
7.3.1球面180
7.3.2橢球面180
7.3.3環(huán)面180
7.3.4超二次曲面180
7.4樣條曲線(xiàn)概述181
7.4.1樣條的基本概念181
7.4.2樣條曲線(xiàn)的分類(lèi)181
7.5Hermite樣條曲線(xiàn)184
7.6Bzier曲線(xiàn)和曲面186
7.6.1Bzier曲線(xiàn)的定義186
7.6.2Bernstein基函數(shù)的性質(zhì)186
7.6.3常見(jiàn)的Bzier曲線(xiàn)187
7.6.4Bzier曲線(xiàn)的性質(zhì)188
7.6.5Bzier曲線(xiàn)的繪制190
7.6.6Bzier曲面194
7.7B樣條曲線(xiàn)和曲面195
7.7.1B樣條曲線(xiàn)的定義195
7.7.2常見(jiàn)的B樣條曲線(xiàn)196
7.7.3B樣條曲線(xiàn)的性質(zhì)198
7.7.4B樣條曲線(xiàn)的分類(lèi)199
7.7.5B樣條曲面199
7.8空間分區(qū)表示方法199
7.8.1立體構(gòu)造199
7.8.2八叉樹(shù)200
7.8.3BSP樹(shù)202
7.9非規(guī)則對(duì)象表示方法202
7.9.1分形幾何方法202
7.9.2粒子系統(tǒng)203
7.9.3基于物理的建模205
7.9.4數(shù)據(jù)可視化205
習(xí)題205
第8章消隱計(jì)算207
8.1消隱概述207
8.1.1消隱的定義207
8.1.2消隱的分類(lèi)207
8.1.3消隱算法的原則208
8.2Z緩沖區(qū)算法209
8.3區(qū)域掃描線(xiàn)算法211
8.4深度排序算法213
8.5光線(xiàn)跟蹤算法215
8.6BSP算法215
習(xí)題216
第9章顏色模型217
9.1光的特性217
9.1.1電磁頻譜217
9.1.2顏色的心理學(xué)特征218
9.2顏色模型的定義218
9.3標(biāo)準(zhǔn)基色和色度圖219
9.4RGB顏色模型221
9.5CMY顏色模型222
9.6HSV顏色模型222
習(xí)題223
第10章真實(shí)感圖形繪制224
10.1簡(jiǎn)單光照模型224
10.1.1環(huán)境反射光225
10.1.2漫反射光225
10.1.3鏡面反射光226
10.1.4光強(qiáng)衰減228
10.1.5顏色處理228
10.2明暗處理230
10.2.1恒定光強(qiáng)的明暗處理230
10.2.2Gouraud明暗處理230
10.2.3Phong明暗處理232
10.3陰影處理233
10.3.1自身陰影生成233
10.3.2投射陰影生成233
10.4透明處理234
10.4.1透明效果的簡(jiǎn)單模擬234
10.4.2考慮折射的透明處理235
10.5整體光照模型與光線(xiàn)跟蹤236
10.5.1整體光照模型概述236
10.5.2Whitted光照模型237
10.5.3光線(xiàn)跟蹤算法238
10.6紋理映射239
10.6.1顏色紋理處理239
10.6.2幾何紋理處理241
習(xí)題242
參考文獻(xiàn)243